WO2003005506A1 - Element de couplage optique actif - Google Patents

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WO2003005506A1
WO2003005506A1 PCT/FR2002/002122 FR0202122W WO03005506A1 WO 2003005506 A1 WO2003005506 A1 WO 2003005506A1 FR 0202122 W FR0202122 W FR 0202122W WO 03005506 A1 WO03005506 A1 WO 03005506A1
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    • H01S3/2383—Parallel arrangements

Definitions

  • the present invention relates to an active coupling element for coupling a light signal to a waveguide optical component as well as an optical structure using such an element.
  • optical component is understood to mean both an all-optical component and an optoelectronic component, or generally any component comprising at least one optical input.
  • a waveguide component is a component comprising at least one input waveguide, this waveguide can be a planar guide, a lateral confinement guide called a microguide or even an optical fiber.
  • These optical components can also be produced in integrated optics.
  • III-V semiconductor guides on InP the lithium niobate guides, the silica guides on silicon or the guides produced on glass by ion exchange or by layer deposition.
  • the invention allows the coupling of any light signal to an optical component.
  • This light signal may be a signal carrying information or a light source of energy also called an optical pump produced for example by a laser or a laser diode.
  • the invention applies to the optical coupling of numerous components and very particularly to optical components using optical pumping such as optical waveguide amplifiers, spectrum inverters or even optical frequency converters, used for example in optical communications networks such as multicolored optical networks DWDM (dense wavelength division multiplexing, in English terminology) also called wavelength multiplex networks, and OTM (optical time division multiplexing) also called time multiplexing optical.
  • DWDM dense wavelength division multiplexing, in English terminology
  • OTM optical time division multiplexing
  • the invention thus finds applications both in the field of transfer systems and that of the processing of optical signals.
  • Direct coupling consists in directly coupling the light signal coming for example from a light source such as a laser or a laser diode on the input guide of the component, without coupling element.
  • Coupling by a passive element consists in interposing said element between the source and the input guide of the component.
  • This passive coupling element is for example a collimation optic (produced in particular by a lens or a set of lenses capable of focusing the optical beam of the source in the waveguide of the component) or also an optical fiber (which makes it possible to connect by mechanical means such as ferrules, source, component waveguide).
  • FIG. 1 represents an example of a conventional embodiment of an optical structure comprising a coupling element 1, for example a lens, making it possible to couple a light source 3 to an optical component 5 with waveguide, for example an optical amplifier.
  • a coupling element 1 for example a lens
  • the amplifier comprises 2 input waveguides 7 and 9 of microguide type which meet in an output waveguide 11 also of microguide type.
  • the source 3 is optically connected to the coupling element 1, itself optically connected to the input of the waveguide 7. Furthermore, a component 13 emitting an optical signal 15 to be amplified by said amplifier 5 is optically connected to the input of waveguide 9.
  • the signal 15 is amplified in the amplifier 5 via the light wave coming from the pump source 3, coupled in the guide 7 via the coupler 1 and mixed with the signal 15, in the guide. 11.
  • the amplified optical signal 17 then leaves the amplifier through the output guide 11.
  • the light source 3 constitutes an energy source for the amplifier.
  • the wavelength spectrum of the signal is adapted to the wavelength spectrum of the component.
  • the emission spectrum of the signal must correspond to the spectrum of the component (in particular the absorption spectrum in the case of an amplifier, in order that the coupled power is practically completely absorbed and contributes to bringing energy to the component).
  • the spatial mode structure of the signal must be as suitable as possible for the input guide of the component for effective coupling, in other words, it is necessary that most of the light wave of the signal is coupled in said guide.
  • the adaptation of the signal spectrum the current components in particular in the field of telecommunications, such as for example components requiring a light energy source such as amplifiers (which generally have a spectrum in the spectral bands located around 1550 nm, typically between 1528 and 1620 nm and more generally between 1200 and 1700 nm) must be pumped to lengths wave which a large part is not accessible or is difficult to access by known laser diodes, and therefore requires the use of either bulky and expensive bulky solid lasers, or very complex lasers.
  • a light energy source such as amplifiers (which generally have a spectrum in the spectral bands located around 1550 nm, typically between 1528 and 1620 nm and more generally between 1200 and 1700 nm) must be pumped to lengths wave which a large part is not accessible or is difficult to access by known laser diodes, and therefore requires the use of either bulky and expensive bulky solid lasers, or very complex lasers.
  • the guides of the optical component are generally single-mode or have only a few modes.
  • this signal is essential that this signal be single-mode or have very good optical beam quality.
  • Good beam optical quality is understood to mean a beam comprising few modes, that is to say close to the diffraction limit.
  • the object of the present invention is to propose a coupling element which is active, this element making it possible to couple a light signal, to an optical component with waveguide, this element does not not presenting the limitations and difficulties of the structures mentioned above.
  • An object of the invention is in particular to propose an active coupling element making it possible to adapt the wavelength (s) of the light signal, to the spectrum of the optical component.
  • the invention thus makes it possible in particular to access new wavelength fields necessary in particular for the development of multicolored telecommunications networks.
  • Another object of the invention is also to propose an active coupling element making it possible to adapt the spatial mode or modes of the light signal to the mode or to the few modes of the guide of the component.
  • Another object of the invention is also to propose a structure using an active coupling element, coupling a light signal to a waveguide component, which can be compact, of reduced cost and of improved performance.
  • the invention provides an active coupling element making it possible to couple a light signal having a first range of wavelengths, to an optical component comprising at least one input waveguide associated with a second range. wavelength, this active coupling element being able to receive the light signal and to emit a light wave in a third range of wavelengths included at least partially in said second range.
  • wavelength range is understood to mean a set of one to several wavelengths.
  • the coupling element is further capable of emitting the light wave according to a mode profile adapted to the profile of the mode of the input waveguide.
  • the profile of the input waveguide mode is generally single mode or weakly multimode.
  • the coupling element makes it possible, when the light signal is multimode, to reduce the number of modes entering the waveguide of the component.
  • the active coupling element is formed by a laser cavity and generally comprises a laser material doped with active ions, interposed between a first and a second reflection element such as mirrors.
  • the first reflection element receives the light signal and the second reflection element transmits the light wave, said first reflection element being able to transmit the light signal and to reflect the light wave.
  • this second reflection element is further capable of reflecting the light signal.
  • At least one of the first or second reflection elements is a network of micro-mirrors and makes it possible to produce a network of laser micro-cavities.
  • reflection is meant a reflection (respectively a transmission) which is important but which does not necessarily correspond to a total reflection (respectively a transmission).
  • the laser material is chosen from the following materials, taken alone or in combination:
  • oxide materials such as YAG (Y 3 A1 5 0 12 ) or YV0 4 or YAP (YA10 3 ), ...
  • fluoride materials such as YLF (YLiF 4 ) or CaF 2 or LaF 3 ,.
  • Talde materials such as YLF (YLiF 4 ) or CaF 2 or LaF 3 ,.
  • fluoride materials such as YLF (YLiF 4 ) or CaF 2 or LaF 3 ,.
  • parde materials based on phosphates or silicates or tungstates or molybdates or vanadates or beryllates
  • the laser material is further doped with ions which are the active elements allowing the emission of the light wave by laser effect.
  • ions which are the active elements allowing the emission of the light wave by laser effect.
  • the ions used are chosen from the following ions taken alone or in combination:
  • transition metals Cr 3+ , Ni 2+ , Co 2+ , Ti 3+ , V 2+ , ...
  • a laser material doped or codoped with rare earth ions is used. This coding makes it possible to improve the efficiency of the laser.
  • the list of laser materials and dopants mentioned above is of course not exhaustive and is given only by way of example. Other examples can be found in the literature of lasers which can be used in the invention.
  • the mirrors located on either side of the laser material are formed respectively by a deposition of dielectric multilayers such as for example alternating layers of Si0 2 and Ti0 2 .
  • the subject of the invention is also an optical structure comprising:
  • the optical component can be both a passive component and an active component.
  • the waveguide has a funnel or "tap" shape in English terminology at the input, to improve the adaptation of the light wave to the profile of the guided mode of the input guide.
  • the structure comprises a first collimation element disposed between the source and the coupling element.
  • a second collimating element is disposed between the coupling element and the waveguide.
  • the coupling element is disposed directly at the entrance to the waveguide.
  • said source is a pump source such as a laser diode and the light signal emitted by said source, conveying optical energy for the component.
  • said source is an optical element (such as a modulated laser diode, the output of an amplifier, etc.) and the light signal emitted by said source, for example conveys optical information.
  • an optical element such as a modulated laser diode, the output of an amplifier, etc.
  • the optical component may have other optical inputs possibly receiving other optical signals via optionally respectively via an active coupling element according to the invention.
  • the structure comprises:
  • a first source formed by a pump source capable of emitting a first light signal
  • a second source formed by an optical element capable of emitting a second light signal
  • an optical component comprising at least a first input waveguide and at least a second input waveguide, a first active coupling element disposed between the first source and the first guide, capable of receiving the first light signal and of emitting a first light wave and
  • a second active coupling element disposed between the second source and the second guide, capable of receiving the second light signal and of emitting a second light wave.
  • the second active coupling element is advantageously used when the optical signal from the second source has particular power characteristics such as the second active coupling element can use this signal to emit a light wave.
  • the component is an active component which makes it possible to interact on the second light signal emitted by the optical element by virtue of the contribution of light energy provided by the first light signal coming from the pump source.
  • This active component may be an optical amplifier, a spectrum invertor, an optical frequency converter, etc.
  • the structure comprises:
  • nxm sources - a matrix of nxm sources
  • an optical component comprising at least nxm input waveguides - a matrix of nxm active coupling elements arranged between the source matrix and the nxm guides
  • FIG. 1 is a schematic representation of a coupling according to the prior art between an amplifier type component and a pump source
  • FIG. 2 is a schematic perspective representation of an active coupling element according to the invention
  • FIG. 3 is a schematic representation of the principle of a structure using a coupling element according to the invention
  • FIG. 4 is a schematic representation of the principle of another structure using a coupling element according to the invention
  • FIG. 5 is a schematic representation of a first alternative embodiment of the structure of FIG. 3,
  • FIG. 6 diagrammatically represents the variant embodiment of FIG. 5, applied to a matrix structure
  • FIG. 7 is a schematic representation of a second variant embodiment of the structure of FIG. 3, and
  • Figure 8 shows schematically the alternative embodiment of Figure 7 applied to a matrix structure.
  • Figure 2 is a schematic perspective representation of an embodiment of an active coupling element 20 according to the invention.
  • This active coupling element makes it possible, as we saw previously, to receive a light signal 21 having a given wavelength range and to couple it to the input of an optical component (not shown) comprising at least one guide. input wavelength associated with another wavelength range.
  • the element 20 is therefore able to receive on an input the light signal 21 and to emit a light wave 23 in a range of wavelengths included at least partially in that usable by the waveguide.
  • the coupling element When the signal 21 is multimode, the coupling element also advantageously makes it possible to transform said signal into a light wave 23 of mode profile adapted to the profile of the mode of the input waveguide of the component, this profile generally being monomode or weakly multimode.
  • the coupling element therefore makes it possible, when the signal 21 is multimode, to reduce the number of modes entering the component's waveguide.
  • the active coupling element is advantageously a laser cavity and comprises a laser material 25 doped with active ions.
  • First and second reflection elements such as mirrors 27, 29 are arranged on two of the walls of the material. In this example, the two walls concerned are walls parallel to each other.
  • the mirror 27 receives the light signal 21, it is able to transmit this light signal to the laser material 25 and to reflect the light wave 23 created by the laser cavity; the mirror 29 for its part reflects and at least partially transmits the light wave 23 and preferably it is capable of reflecting the signal 21.
  • the laser material is a parallelepiped of section lxl mm 2 and thickness ranging from 100 ⁇ m to 1 mm; this laser material is for example phosphate glass doped with rare earth ions such as Er 3+ or codoped with rare earth ions such as Er 3+ and Yb 3+ , this coding making it possible to improve the efficiency of the laser .
  • the concentration of ions is, for example, of the type used in known lasers.
  • the mirrors are deposited directly on two of the parallel faces of the laser material 25.
  • said faces are previously polished.
  • these mirrors are produced by depositing dielectric multilayers, formed by evaporation or by spraying, using conventional techniques.
  • These multilayers are, for example, alternating layers of Si0 2 and Ti0 2 forming a set of a few tens of layers (approximately 20 to 30).
  • the total thickness of the Si0 2 and Ti0 2 multilayers is approximately 4 to 6 ⁇ m. This example is of course given for information only, other materials can be used to form the mirrors, and the thicknesses of these multi-layers can reach several tens of ⁇ m.
  • each layer and the number of layers are such that the stack obtained makes it possible to obtain the reflectivity and transmission spectra suitable for the corresponding mirror.
  • a multimode light signal 21 focused on the mirror 27 with a diameter of 100 to 150 ⁇ m and a wavelength ⁇ i of approximately 975 nm makes it possible to create a light wave 23 single mode wavelength ⁇ 2 of approximately 1550 nm, transmitted by the mirror 29 with a small divergence (approximately 10 rad).
  • the input mirror 27 has for ⁇ i a high transmission (> 90% approximately) and for ⁇ 2 a high reflectivity (> 90% approximately).
  • the output mirror 29 has for ⁇ 2 a transmission of approximately 1 to 20% and for ⁇ i, it advantageously has a high reflectivity (> approximately 90%) so that the power of signal 21 which is not absorbed during the first passage through the laser material is reflected by the mirror 29 and can be absorbed during the following passages in said material.
  • the mirrors 27, 29 are arranged directly on the laser material 25.
  • one or both mirrors are produced beforehand on a starting substrate (for example glass), the mirror or mirrors provided respectively of their substrate are then assembled with the laser material 25 for example by an appropriate bonding or by a mechanical assembly so that the mirrors are brought into contact with the laser material.
  • the mirrors 27, 29 are plane mirrors, of course other types of mirrors can be used for the mirror 27 and / or 29 such as for example concave mirrors or microphone arrays -Mirrors.
  • the concave mirror advantageously has a radius of curvature R greater than the length L of the cavity.
  • R radius of curvature
  • an R value will be chosen approximately between 0.5 to 10 mm and the diameter of the concave mirror will be greater than approximately 100 ⁇ m.
  • the concave mirror can be produced by conventional means either directly on the face of the laser material (for example by photolithography and ion etching), or produced on another substrate and attached by assembly to the flat face of the laser material.
  • each micromirror will preferably have a diameter between 50 ⁇ m and 500 ⁇ m and for example 100 ⁇ m.
  • the micro-mirror network can be produced by known means, either directly on the face of the laser material (for example by photolithography and ion etching), or produced on another substrate and added by assembly on the flat face of the laser material.
  • the wavelength ⁇ 2 of the wave 23 emitted by the active coupling element depends mainly on the choice of the dopant but varies a little according to the choice of the laser material.
  • ⁇ 2 For a laser material YAG or YV0 4 or other oxides doped with Nd ions, ⁇ 2 will be respectively around 1.06 ⁇ m, 0.95 ⁇ m, or 1.35 ⁇ m.
  • ⁇ 2 will be around 1.05 ⁇ m to 1.3 ⁇ m.
  • ⁇ 2 For a laser material of the phosphate or silicate glass type doped Er or codoped Er and Yb, ⁇ 2 will be around 1.5 ⁇ m and will be particularly well suited to the range of wavelengths of the amplifier type components known under the names EDFA (Erbium Doped Fiber Amplifier) or EDWA (Erbium Doped Waveguide Amplifier) which use the same active ions and the same materials.
  • the wavelength ⁇ x of the initial signal 21 will be chosen as far as possible and in particular when this signal comes from a laser source so as to correspond at least partially to the absorption band of the dopant of the laser material. For example:
  • FIG. 3 schematically illustrates a basic structure using an active coupling element according to the invention.
  • This optical structure comprises a source 31 capable of emitting the light signal 21, an optical component 33 comprising at least one input waveguide 35, and an active coupling element 20 as described above, interposed between the source and the input waveguide.
  • the source is either a pump source such as a laser diode, the light signal 21 emitted by said source then conveys optical energy for the component, or an optical element (such as a modulated laser diode or an output of an amplifier) and the light signal emitted by said source, then for example conveys optical information.
  • a pump source such as a laser diode
  • the light signal 21 emitted by said source then conveys optical energy for the component
  • an optical element such as a modulated laser diode or an output of an amplifier
  • the optical component can be either a passive component or an active component. It can of course have other optical inputs (not shown) possibly receiving other optical signals via optionally respectively active coupling element according to the invention.
  • FIG. 4 schematically illustrates another basic structure using one or more active coupling elements according to the invention.
  • This structure comprises a first source 41 formed by a pump source, a second source 43 formed by an optical element, capable of emitting a light signal, an optical component 45 such as an optical amplifier comprising a first waveguide of input 47 and a second input waveguide 49.
  • a first active coupling element 20a is arranged between the source 41 and the input guide 47, and possibly a second active coupling element 20b is disposed between source 43 and input guide 49.
  • the second active coupling element is advantageously used when the optical signal from the second source has characteristics in particular of power such that the second active coupling element can use this signal to emit a light wave.
  • the component is an active component which makes it possible to interact on the light signal emitted by the optical element thanks to the contribution of light energy brought by the light signal coming from the pump source.
  • This active component can be an optical amplifier, a spectrum invertor, an optical frequency converter, etc.
  • FIG. 5 is a schematic representation of a first alternative embodiment of the structure of Figure 3 in a section containing the input guide 35.
  • the source 31 is a source of the single ribbon laser diode type.
  • this structure comprises a collimation element 51 disposed between the source 31 and the active coupling element 20 and a collimation element 53 disposed between the coupling element and the waveguide 35.
  • the waveguide has at the input a funnel shape corresponding to a tap 36 to improve the adaptation of the light wave 23 to the profile of the guided mode or modes, of the input guide.
  • the light wave arriving at the entrance to the guide is such that tapping it is not necessary.
  • this typing is not necessary, when the collimating element 53 is chosen to properly focus the light wave 23, in the input guide 35.
  • This principle of structure may be generalized to a matrix, as represented figure 6. To simplify the description, this figure illustrates a unidirectional matrix (in other words a matrix with a line or barette).
  • a strip 60 of four sources capable of respectively emitting a light signal 61, 62, 63, 64 of the same wavelength or of different wavelengths.
  • Each of these signals passes through a collimating element 65 produced for example by a strip of four micro-lenses, then a strip • 67 of four active coupling elements according to the invention which emits four light waves 71, 72, 73, 74 singlemode or little multimode respectively at wavelengths compatible with four guides of 'inputs 81, 82, 83, 84 of the same component 90 or of different components.
  • a second collimation element 69 produced for example by a strip of four micro-lenses is arranged on the path of the light waves between the strip of coupling elements and the entry of the guides.
  • the strip 67 of active elements is produced either by four individual active elements placed end to end, each of these elements being capable of receiving one of the signals and of emitting a light wave, or by a single structure of dimensions suitable to be equivalent to four superimposed zones, each zone corresponding to an active element and is capable of receiving one of the signals and of emitting a light wave.
  • the active coupling element 20 is arranged directly at the entrance to the waveguide 35 by all the conventional assembly techniques and for example by gluing; this embodiment does not use a second collimation element.
  • the light wave emitted by the coupling element is generally not very divergent (the diameter of this wave can typically range from 50 ⁇ m to 100 ⁇ m for a laser cavity such as that described with reference to FIG. 3), it is directly coupled in the guide.
  • This coupling is favored by the presence of a type 36 preferably of diameter at least of the same order of magnitude as that of the light wave.
  • FIG. 8 schematically represents the variant embodiment of FIG. 7 applied to a matrix structure, which is in the case shown unidirectional as in the example of FIG. 6.
  • an amplifier for example an amplifier in integrated optics on glass such as that known under the name EDWA, produced on phosphate glasses doped Er, for the amplification of telecommunications signals around 1.5 ⁇ m, and comprising an input guide (singlemode or having a few modes) of typical diameter a few ⁇ m
  • an active coupling element for example a planar laser cavity plane as described in FIG. 2, emitting a wavelength ranging from approximately 1530 nm to 1550 nm and a source such as a wide ribbon pump laser diode (ribbon width 50-250 ⁇ m, typically 100 ⁇ m) and very transverse multimode.
  • This type of source emits for example at 975-980 nm and has a high power, between 100 mW and several watts, and typically from 500 mW to 1 W.
  • the beam emitted by such a source is multimode (several hundred transverse modes) and very divergent (30-40 degrees of half angle), it is then focused according to the invention using the first collimation means (for example a gradient index lens) on the entry face of the laser cavity which then absorbs the power of the laser diode and emits a laser beam at a longer wavelength (for example 1550 nm), transverse momomode TEM 00 close to the quality of a perfect Gaussian beam limited by diffraction or with only a few transverse modes (TEM mn with m and n ⁇ 5).
  • the first collimation means for example a gradient index lens
  • the beam emitted by the coupling element is moreover very little diverging, with a typical divergence between 5-25 mrad (that is to say a half angle of 0.3 to 1.5 degrees). It can be focused very easily on a small task (a few ⁇ m in diameter), by the second collimation means, for example with a mini-lens, so as to be coupled very effectively
  • a high power, but very poor quality (multimode and divergent) pump beam is transformed into an almost perfect beam (single mode or in some modes, very little divergent), which allows very efficient coupling in the single mode guide or weakly multi-mode of the waveguide component.
  • an amplifier in integrated optics produced on Tm 3+ doped materials, such as for example in amplifiers of the TDFA (Thullium Doped Fiber Amplifier) type, using for example fluoride materials, for the amplification of telecommunications signals in the S band between 1450 nm and 1520 nm, and comprising an input guide (single mode or having some modes) of typical diameter a few ⁇ m, one can choose an element active coupling, for example a plane-plane laser cavity as described in FIG.
  • Tm 3+ doped materials such as for example in amplifiers of the TDFA (Thullium Doped Fiber Amplifier) type, using for example fluoride materials, for the amplification of telecommunications signals in the S band between 1450 nm and 1520 nm, and comprising an input guide (single mode or having some modes) of typical diameter a few ⁇ m
  • an element active coupling for example a plane-plane laser cavity as described in FIG.
  • a source such as a wide ribbon pump laser diode ( tape width 50-250 ⁇ m, typical 100 ⁇ m) and very multimode transverse.
  • This type of source emits for example around 800 nm and has a high power, between 100 mW and several watts, and typically from 500 mW to 1 W.
  • the beam emitted by such a source is multimode (several hundred transverse modes) and very divergent (30-40 degrees of half angle).
  • the first collimating means for example a gradient index lens
  • the second collimation means for example with a mini-lens, so as to be coupled very effectively

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Abstract

L'invention concerne un élément de couplage actif permettant de coupler un signal lumineux à un composant optique à guide d'onde, ce signal lumineux (21) présentant une première gamme de longueurs d'onde, et le composant optique (33) comportant au moins un guide d'onde d'entrée (35) associé à une deuxième gamme de longueur d'onde, cet élément de couplage actif (20) étant apte à recevoir le signal lumineux et à émettre une onde lumineuse (23) dans une troisième gamme de longueurs d'onde comprise au moins partiellement dans ladite deuxième gamme. L'invention concerne également une structure optique comportant un tel élément de couplage actif et s'applique en particulier à la réalisation d'une structure présentant un composant optique de type amplificateur optique, inverseur de spectre ou convertisseur de fréquence.

Description

ELEMENT DE COUPLAGE ACTIF PERMETTANT DE COUPLER UN SIGNAL LUMINEUX A UN COMPOSANT OPTIQUE A GUIDE D'ONDE ET STRUCTURE OPTIQUE UTILISANT UN TEL
ELEMENT
Domaine technique
La présente invention concerne un élément de couplage actif permettant de coupler un signal lumineux à un composant optique à guide d'onde ainsi qu'une structure optique utilisant un tel élément.
On entend par composant optique, aussi bien un composant tout optique qu'un composant optoélectronique ou de façon générale tout composant comportant au moins une entrée optique. Selon, l'invention un composant à guide d'onde, est un composant comportant au moins un guide d'onde en entrée, ce guide d'onde pouvant être un guide planaire, un guide à confinement latéral appelé microguide ou encore une fibre optique. Ces composants optiques peuvent être par ailleurs réalisés en optique intégrée. A titre d'exemple, on peut citer les guides en semi-conducteur III-V sur InP, les guides en niobate de lithium, les guides en silice sur silicium ou les guides réalisés sur verre par échange ionique ou par dépôt de couche.
L'invention permet le couplage d'un signal lumineux quelconque vers un composant optique. Ce signal lumineux peut-être un signal transportant des informations ou une source lumineuse d'énergie appelée encore pompe optique réalisée par exemple par un laser ou une diode laser. De ce fait, l'invention s'applique au couplage optique de nombreux composants et tout particulièrement à des composants optiques utilisant un pompage optique tels que les amplificateurs optiques à guide d'onde, les inverseurs de spectres ou encore les convertisseurs optiques de fréquence, utilisés par exemple dans les réseaux de communications optiques tels que les réseaux optiques multicolores DWDM (dense wavelength division multiplexing, en terminologie anglo-saxonne) appelés aussi réseaux multiplexes en longueur d'onde, et OTM (optical time division multiplexing) appelés aussi multiplexage temporelle optique.
L'invention trouve ainsi des applications aussi bien dans le domaine des systèmes de transfert que celui du traitement de signaux optiques.
Etat de la technique antérieure
Actuellement, pour introduire un signal lumineux dans un guide d'onde d'un composant, il existe deux possibilités : un couplage direct ou un couplage par un élément passif.
Le couplage direct consiste à coupler directement le signal lumineux issu par exemple d'une source lumineuse telle qu'un laser ou une diode laser sur le guide d'entrée du composant, sans élément de couplage .
Le couplage par un élément passif consiste à intercaler ledit élément entre la source et le guide d'entrée du composant. Cet élément de couplage passif est par exemple une optique de collimation (réalisée notamment par une lentille ou un ensemble de lentilles aptes à focaliser le faisceau optique de la source dans le guide d'onde du composant) ou encore une fibre optique (qui permet de relier par des moyens mécaniques tels que des férules, la source, au guide d'onde du composant) .
La figure 1 représente un exemple de réalisation classique d'une structure optique comportant un élément de couplage 1 par exemple une lentille, permettant de coupler une source lumineuse 3 à un composant optique 5 à guide d'onde par exemple un amplificateur optique.
Dans cet exemple, l'amplificateur comprend 2 guides d'onde d'entrée 7 et 9 de type microguide qui se rejoignent dans un guide d'onde de sortie 11 également de type microguide .
Ainsi, la source 3 est reliée optiquement à l'élément de couplage 1, lui-même relié optiquement à l'entrée du guide d'onde 7. Par ailleurs, un composant 13 émettant un signal optique 15 à amplifier par ledit amplificateur 5 est relié optiquement à l'entrée du guide d'onde 9.
Ainsi, le signal 15 est amplifié dans l'amplificateur 5 par l'intermédiaire de l'onde lumineuse issue de la source de pompe 3, couplée dans le guide 7 par l'intermédiaire du coupleur 1 et mélangée au signal 15, dans le guide 11. Le signal optique amplifié 17, sort alors de l'amplificateur par le guide 11 de sortie. La source lumineuse 3 constitue une source d'énergie de l'amplificateur. Dans un souci de simplification sur cette figure ainsi que dans le reste de la description, on n'a représenté que le cœur desdits guides.
Bien que satisfaisant à certain égard, le couplage direct ou le couplage pas un élément passif d'un signal lumineux à un composant optique à guide d'onde présente un certain nombre de limitations.
Ces limitations proviennent pour l'essentiel de problèmes d'adaptation du signal lumineux en entrée du composant optique, ne permettant pas un transfert efficace de la puissance lumineuse du signal, au composant .
Pour assurer cette adaptation, il faut tout d'abord que le spectre en longueur d'onde du signal soit adapté au spectre en longueur d'onde du composant. En particulier, lorsque le signal à coupler correspond à une source d'énergie pour le composant, il faut que le spectre d'émission du signal corresponde au spectre du composant (notamment au spectre d'absorption dans le cas d'un amplificateur, afin que la puissance couplée soit pratiquement totalement absorbée et contribue à apporter de l'énergie au composant).
De plus, pour assurer cette adaptation, la structure de modes spatiale du signal doit être la plus adaptée possible au guide d'entrée du composant pour un couplage efficace, autrement dit, il faut que la plus grande partie de l'onde lumineuse du signal soit couplée dans ledit guide.
En ce qui concerne, l'adaptation du spectre du signal, les composants actuels en particulier dans le domaine des télécommunications, tels que par exemple les composants nécessitant une source d'énergie lumineuse comme les amplificateurs (qui ont en général un spectre dans les bandes spectrales situées autour de 1550 nm, typiquement entre 1528 et 1620 nm et plus généralement entre 1200 et 1700 nm) doivent être pompés à des longueurs d'onde dont une grande partie n'est pas accessible ou est difficilement accessible par les diodes lasers connues, et nécessite de ce fait l'utilisation soit de lasers solides encombrant volumineux et chers, soit de lasers très complexes.
Par ailleurs, en ce qui concerne l'adaptation de mode spatial, les guides du composant optique sont en général monomodes ou présentent seulement quelques modes. Aussi, que le couplage du signal, au composant, se fasse de façon directe ou à l'aide d'un élément de couplage passif, il est indispensable que ce signal soit monomode ou présente une très bonne qualité optique de faisceau. On entend par une bonne qualité optique de faisceau, un faisceau comportant peu de modes, c'est-à-dire proche de la limite de diffraction. Ces contraintes sur le signal empêchent notamment l'utilisation comme source de signal, de diode laser de forte puissance car ce type de source est multimode (elle peut comporter plusieurs centaines de modes) .
Exposé de l'invention
La présente invention a pour but de proposer un élément de couplage qui est actif, cet élément permettant de coupler un signal lumineux, à un composant optique à guide d'onde, cet élément ne présentant pas les limitations et difficultés des structures mentionnées ci-dessus.
Un but de l'invention est en particulier de proposer un élément de couplage actif permettant d'adapter la ou les longueurs d'onde du signal lumineux, au spectre du composant optique. L'invention permet ainsi en particulier d'accéder à de nouveaux domaines de longueur d'onde nécessaires notamment au développement des réseaux de télécommunications multicolores.
Un autre but de l'invention est également de proposer un élément de couplage actif permettant d'adapter le ou les modes spatiaux du signal lumineux au mode ou aux quelques modes du guide du composant . Un autre but de l'invention est encore de proposer une structure utilisant un élément de couplage actif, couplant un signal lumineux à un composant à guide d'onde, pouvant être compact, de coût réduit et de performances améliorées. Pour atteindre ces buts, l'invention propose un élément de couplage actif permettant de coupler un signal lumineux présentant une première gamme de longueurs d'onde, à un composant optique comportant au moins un guide d'onde d'entrée associé à une deuxième gamme de longueur d'onde, cet élément de couplage actif étant apte à recevoir le signal lumineux et à émettre une onde lumineuse dans une troisième gamme de longueurs d'onde comprise au moins partiellement dans ladite deuxième gamme. On entend par gamme de longueurs d'onde, un ensemble de une à plusieurs longueurs d'onde.
Généralement la deuxième gamme de longueurs d' onde est supérieure à celle de la première . Selon un mode de réalisation, l'élément de couplage est apte en outre à émettre 1 ' onde lumineuse selon un profil de mode adapté au profil du mode du guide d'onde d'entrée.
Le profil du mode du guide d'onde d'entrée est généralement monomode ou faiblement multimodes. Dans tous les cas, l'élément de couplage permet lorsque le signal lumineux est multimode de réduire le nombre de modes entrant dans le guide d'onde du composant.
Selon un premier exemple de réalisation, l'élément actif de couplage est formé par une cavité laser et comprend en général, un matériau laser dopé par des ions actifs, intercalé entre un premier et un deuxième élément de réflexion tels que des miroirs. Le premier élément de réflexion reçoit le signal lumineux et le deuxième élément de réflexion transmet l'onde lumineuse, ledit premier élément de réflexion étant apte à transmettre le signal lumineux et à réfléchir 1 ' onde lumineuse .
Selon un mode préféré, ce deuxième élément de réflexion est en outre apte à réfléchir le signal lumineu .
De façon avantageuse au moins un des premier ou deuxième éléments de réflexion est un miroir concave
Selon un mode particulier de réalisation, au moins un des premier ou deuxième éléments de réflexion est un réseau de micro-miroirs et permet de réaliser un réseau de micro-cavités lasers .
On entend par réflexion (respectivement par transmission) une réflexion (respectivement une transmission) qui est importante mais qui ne correspond pas forcement à une réflexion (respectivement une transmission) totale.
De façon avantageuse le matériau laser est choisi parmi les matériaux suivants pris seuls ou en combinaison :
• les matériaux oxydes comme le YAG (Y3A15012) ou le YV04 ou le YAP (YA103),...
• les matériaux fluorures comme le YLF (YLiF4) ou le CaF2 ou le LaF3,.„ • les matériaux à base de phosphates ou de silicates ou de tungstates ou de molybdates ou de vanadates ou de béryllates
• les verres phosphates ou silicates.
Le matériau laser est en outre dopé avec des ions qui sont les éléments actifs permettant l'émission de l'onde lumineuse par effet laser . Les ions utilisés sont choisis parmi les ions suivants pris seuls ou en combinaison :
• les terres rares (Nd3+ , Er3+, Ho3+ , Ce3+ , Tm3+, Pr3+, Gd3+, Eu3+, Yb3+, Sm2+, Dy2+, Tm2+, ...)
• les métaux de transitions (Cr3+ , Ni2+ , Co2+ , Ti3+ , V2+ , ...)
• les actinides (U3+, ...) .
Selon un mode préféré , on utilise un matériau laser dopé ou codopé avec des ions de terre rares . Ce codopage permet d' améliorer l ' efficacité du laser. La liste de matériaux laser et de dopants cités ci-dessus n'est bien entendu pas exhaustive et n'est donnée qu'à titre d'exemple. On peut trouver d'autres exemples dans la littérature de lasers utilisables dans l'invention.
Selon un mode préféré de réalisation les miroirs situés de part et d'autre du matériau laser sont formés respectivement par un dépôt de multicouches diélectriques tels que par exemple des couches de Si02 et de Ti02 alternées.
L'invention a également pour objet une structure optique comportant :
- au moins une source, ladite source émettant ledit signal lumineux, - un composant optique comprenant au moins un guide d'onde d'entrée, et
- au moins un élément de couplage actif tel que décrit précédemment, intercalé entre la source et le guide d'onde d'entrée. Le composant optique peut-être aussi bien un composant passif qu'un composant actif.
De façon avantageuse, le guide d'onde présente une forme en entonnoir ou « taper » en terminologie anglo-saxonne en entrée, pour améliorer l'adaptation de l'onde lumineuse au profil du mode guidé, du guide d' entrée.
Selon un mode avantageux, la structure comprend un premier élément de collimation disposé entre la source et l'élément de couplage. Selon un mode de réalisation, un deuxième élément de collimation est disposé entre l'élément de couplage et le guide d'onde.
Selon un autre mode de réalisation, l'élément de couplage est disposé directement à l'entrée du guide d' onde.
Selon un premier mode de réalisation, ladite source est une source de pompe telle qu'une diode laser et le signal lumineux émis par ladite source, véhicule de l'énergie optique pour le composant.
Selon un deuxième mode de réalisation, ladite source est un élément optique (tel qu'une diode laser modulée, la sortie d'un amplificateur etc ) et le signal lumineux émis par ladite source, véhicule par exemple des informations optiques.
Le composant optique peut avoir d'autres entrées optiques recevant éventuellement d' autres signaux optiques par l'intermédiaire éventuellement respectivement d'un élément de couplage actif selon l'invention.
Selon un exemple particulier de réalisation, la structure comprend :
- une première source formée par une source de pompe apte à émettre un premier signal lumineux,
- une deuxième source formée par un élément optique apte à émettre un second signal lumineux,
- un composant optique comprenant au moins un premier guide d'onde d'entrée et au moins un deuxième guide d'onde d'entrée, - un premier élément de couplage actif disposé entre la première source et le premier guide, apte à recevoir le premier signal lumineux et à émettre une première onde lumineuse et
- éventuellement un deuxième élément de couplage actif disposé entre la deuxième source et le deuxième guide, apte à recevoir le second signal lumineux et à émettre une deuxième onde lumineuse.
Le deuxième élément actif de couplage est avantageusement utilisé lorsque le signal optique de la deuxième source présente des caractéristiques notamment de puissance telles que le deuxième élément de couplage actif puisse utiliser ce signal pour émettre une ' onde lumineuse.
Dans cet exemple particulier, le composant est un composant actif qui permet d' interagir sur le second signal lumineux émis par l'élément optique grâce à l'apport d'énergie lumineuse apportée par le premier signal lumineux issu de la source de pompe.
Ce composant actif peut-être un amplificateur optique, un inverseur de spectre, un convertisseur optique de fréquence, etc ...
Selon un autre exemple particulier de réalisation, la structure comprend :
- une matrice de nxm sources, - un composant optique comprenant au moins nxm guides d'onde d'entrée - une matrice de nxm éléments de couplage actif disposée entre la matrice de sources et les nxm guides,
- éventuellement une première matrice de nXm éléments de collimation entre la matrice de sources et la matrice d'éléments de couplage,
- éventuellement une seconde matrice de nxm éléments de collimation entre la matrice d'éléments de couplage et les guides d' onde d' entrée .
D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront mieux de la description qui va suivre, en référence aux figures des dessins annexés.
Cette description est donnée à titre purement illustratif et non limitatif.
Brève description des figures - La figure 1, déjà décrite, est une représentation schématique d'un couplage selon l'art antérieur entre un composant de type amplificateur et une source de pompe,
- La figure 2 est une représentation schématique en perspective, d'un élément de couplage actif selon l'invention,
- La figure 3 est une représentation schématique de principe d'une structure utilisant un élément de couplage selon l'invention, - La figure 4 est une représentation schématique de principe d'une autre structure utilisant un élément de couplage selon l'invention,
- La figure 5 est une représentation schématique d'une première variante de réalisation de la structure de la figure 3,
- La figure 6 représente schématiquement la variante de réalisation de la figure 5, appliquée à une structure matricielle, - La figure 7 est une représentation schématique d'une deuxième variante de réalisation de la structure de la figure 3, et
- La figure 8 représente schématiquement la variante de réalisation de la figure 7 appliquée à une structure matricielle.
Description détaillée de modes de mise en œuyre de l' invention
La figure 2 est une représentation schématique en perspective, d'un exemple de réalisation d'un, élément de couplage actif 20 selon l'invention.
Cet élément de couplage actif permet comme on l'a vu précédemment de recevoir un signal lumineux 21 présentant une gamme de longueurs d'onde donnée et de le coupler à l'entrée d'un composant optique (non représenté) comportant au moins un guide d'onde d'entrée associé à une autre gamme de longueur d'onde.
L'élément 20 est donc apte à recevoir sur une entrée le signal lumineux 21 et à émettre une onde lumineuse 23 dans une gamme de longueurs d'onde comprise au moins partiellement dans celle utilisable par le guide d'onde.
Lorsque le signal 21 est multimode, l'élément de couplage permet en outre avantageusement de transformer ledit signal en une onde lumineuse 23 de profil de mode adapté au profil du mode du guide d'onde d'entrée du composant, ce profil étant généralement monomode ou faiblement multimode. L'élément de couplage permet donc, lorsque le signal 21 est multimode, de réduire le nombre de modes entrant dans le guide d'onde du composant .
Pour assurer ces fonctionnalités, l'élément de couplage actif est avantageusement une cavité laser et comprend un matériau laser 25 dopé par des ions actifs. Un premier et un deuxième élément de réflexion tels que des miroirs 27, 29 sont disposés sur deux des parois du matériau. Dans cet exemple, les deux parois concernées sont des parois parallèles entre elles. Le miroir 27 reçoit le signal lumineux 21, il est apte à transmettre ce signal lumineux au matériau laser 25 et à réfléchir l'onde lumineuse 23 crée par la cavité laser ; le miroir 29 quant à lui réfléchit et transmet au moins partiellement l'onde lumineuse 23 et de préférence, il est apte à réfléchir le signal 21. A titre d'exemple, le matériau laser est un parallélépipède de section lxl mm2 et d'épaisseur pouvant aller de 100 μm à 1 mm ; ce matériau laser est par exemple du verre phosphate dopé avec des ions de terre rares tels que Er3+ ou codopé avec des ions de terre rares tels que Er3+ et Yb3+, ce codopage permettant d'améliorer l'efficacité du laser. La concentration des ions est par exemple du type de celle utilisée dans les lasers connus.
Dans cet exemple, les miroirs sont déposés directement sur deux des faces parallèles du matériau laser 25. De préférence, lesdites faces sont préalablement polies.
Selon un mode de réalisation, ces miroirs sont fabriqués par un dépôt de multicouches diélectriques, formés par évaporation ou par pulvérisation, en utilisant des techniques classiques. Ces multicouches sont par exemple des couches de Si02 et de Ti02 alternées formant un ensemble de quelques dizaines de couches (20 à 30 environ). L'épaisseur totale des multicouches Si02 et de Ti02 est d'environ 4 à 6 μm. Cet exemple n'est donné bien entendu qu'à titre indicatif, d'autres matériaux peuvent être utilisés pour former les miroirs, et les épaisseurs de ces multi-couches peuvent atteindre plusieurs dizaines de μm.
L'épaisseur de chaque couche et le nombre de couches sont tels que l'empilement obtenu permette d'obtenir les spectres de réflectivité et de transmission appropriés pour le miroir correspondant.
Avec un élément de couplage tel que celui décrit ci-dessus, un signal lumineux 21 multimode focalisé sur le miroir 27 avec un diamètre de 100 à 150 μm et de longueur d'onde λi d'environ 975 nm, permet de créer une onde lumineuse 23 monomode de longueur d'onde λ2 d'environ 1550 nm, transmise par le miroir 29 avec une faible divergence (environ 10 rad) . Le miroir d'entrée 27 présente pour λi une transmission élevée (>90% environ) et pour λ2 une réflectivité élevée (>90% environ) .
Le miroir de sortie 29 présente pour λ2 une transmission d'environ 1 à 20% et pour λi, il présente avantageusement une réflectivité élevée (>90% environ) afin que la puissance du signal 21 qui n'est pas absorbée lors du premier passage dans le matériau laser soit réfléchie par le miroir 29 et puisse être absorbé lors des passages suivants dans ledit matériau.
Dans cet exemple, les miroirs 27, 29 sont disposés directement sur le matériau laser 25. Cependant, dans certain cas, un ou les deux miroirs sont réalisés préalablement sur un substrat de départ (par exemple du verre) , le ou les miroirs munis respectivement de leur substrat sont ensuite assemblés avec le matériau laser 25 par exemple par un collage approprié ou par un assemblage mécanique de façon à ce que les miroirs soient mis en contact avec le matériau laser.
Par ailleurs, dans cet exemple de réalisation, les miroirs 27, 29 sont des miroirs plans, bien entendu d'autres types de miroirs peuvent être utilisés pour le miroir 27 et/ou 29 tels que par exemple des miroirs concaves ou des réseaux de micro-miroirs.
L'utilisation de miroirs concaves au moins sur une des faces (d'entrée ou de sortie ou les deux) du matériau laser permet de réaliser une cavité laser optiquement stable. Pour cela, le miroir concave présente avantageusement un rayon de courbure R supérieur à la longueur L de la cavité. Pour une valeur L comprise environ entre 0,3 et 1 mm, on choisira une valeur R comprise environ entre 0,5 à 10 mm et le diamètre du miroir concave sera supérieur à environ 100 μm. Le miroir concave peut être réalisé par des moyens classiques soit directement sur la face du matériau laser (par exemple par photolithographie et gravure ionique) , soit réalisé sur un autre substrat et rapporté par assemblage sur la face plane du matériau laser. L'utilisation d'un réseau de micro-miroirs au moins sur une des faces du matériau laser permet de réaliser un réseau de micro-cavités stables couplées et d'augmenter la puissance totale de sortie de l'onde lumineuse 23. On peut réaliser ainsi par exemple un réseau de micro-miroirs sur toute la surface (ex : lxl mm2) de la face d'entrée du matériau laser, chaque micromiroir aura de préférence un diamètre compris entre 50 μm et 500 μm et par exemple 100 μm. Le réseau de micro-miroir peut être réalisé par des moyens connus, soit directement sur la face du matériau laser (par exemple par photolithographie et gravure ionique) , soit réalisé sur un autre substrat et rapporté par assemblage sur la face plane du matériau laser.
La longueur d'onde λ2 de l'onde 23 émise par l'élément de couplage actif dépend principalement du choix du dopant mais varie un peu en fonction du choix du matériau laser.
On donne ci-après quelques exemples de valeurs obtenues pour λ2 pour différents matériaux lasers : • Pour un matériau laser YAG ou YV04 ou d'autres oxydes dopés avec des ions Nd, λ2 sera respectivement autour de 1,06 μm, 0,95 μm, ou 1,35 μm.
• Pour un matériau laser YLF dopé avec des ions Nd, λ2 sera autour de 1,05 μm à 1, 3 μm.
• Pour un matériau laser de type verre phosphate ou silicate dopé Er ou codopé Er et Yb, λ2 sera autour de 1,5 μm et sera particulièrement bien adapté à la gamme des longueurs d'onde des composants de type amplificateurs connus sous les noms EDFA (Erbium Doped Fiber Amplifier) ou EDWA (Erbium Doped Waveguide Amplifier) qui utilisent les mêmes ions actifs et les mêmes matériaux. La longueur d'onde λx du signal initial 21 sera choisi dans la mesure du possible et notamment lorsque ce signal est issu d'une source laser de façon à correspondre au moins partiellement à la bande d'absorption du dopant du matériau laser. A titre d'exemple:
• Pour un matériau laser à base de Nd, on prendra un signal présentant une longueur d'onde λi d'environ 800 nm.
• Pour un matériau laser à base de Er ou de Er+Yb, on prendra un signal présentant une longueur d'onde λi d'environ 980 nm.
Des sources lasers émettant dans ces gammes sont connues et disponibles commercialement. De plus, ce type de source peut présenter de fortes puissances et sont disponibles à des bas coûts et de façon compacte. Enfin, bien que ces sources connues soient généralement multimodes, l'élément de couplage de l'invention permet d'obtenir une onde monomode ou peu multimode . La figure 3 illustre schématiquement une structure de base utilisant un élément de couplage actif selon l'invention.
Cette structure optique comporte une source 31 apte à émettre le signal lumineux 21, un composant optique 33 comprenant au moins un guide d'onde d'entrée 35, et un élément de couplage actif 20 tel que décrit précédemment, intercalé entre la source et le guide d'onde d'entrée.
La source est soit une source de pompe telle qu'une diode laser, le signal lumineux 21 émis par ladite source, véhicule alors de l'énergie optique pour le composant, soit un élément optique (tels qu'une diode laser modulée ou une sortie d'un amplificateur) et le signal lumineux émis par ladite source, véhicule alors par exemple des informations optiques.
Le composant optique peut être aussi bien un composant passif qu'un composant actif. Il peut bien entendu avoir d'autres entrées optiques (non représentées) recevant éventuellement d'autres signaux optiques par l'intermédiaire éventuellement respectivement d'élément de couplage actif selon l'invention.
La figure 4 illustre schématiquement une autre structure de base utilisant un ou plusieurs éléments de couplage actifs selon l'invention. Cette structure comprend une première source 41 formée par une source de pompe, une deuxième source 43 formée par un élément optique, apte à émettre un signal lumineux, un composant optique 45 tel qu'un amplificateur optique comprenant un premier guide d'onde d'entrée 47 et un deuxième guide d'onde d'entrée 49. Dans cette structure, un premier élément de couplage actif 20a est disposé entre la source 41 et le guide d'entrée 47, et éventuellement un deuxième élément de couplage actif 20b est disposé entre la source 43 et le guide d'entrée 49.
Le deuxième élément de couplage actif est avantageusement utilisé lorsque le signal optique de la deuxième source présente des caractéristiques notamment de puissance telles que le deuxième élément actif de couplage puisse utiliser ce signal pour émettre une onde lumineuse .
Dans cet exemple particulier, le composant est un composant actif qui permet d' interagir sur le signal lumineux émis par l'élément optique grâce à l'apport d'énergie lumineuse apportée par le signal lumineux issu de la source de pompe .
Ce composant actif peut être un amplificateur optique, un inverseur de spectre, un convertisseur optique de fréquence, etc...
La figure 5 est une représentation schématique d'une première variante de réalisation de la structure de la figure 3 selon une coupe contenant le guide d'entrée 35. Sur cette figure, la source 31 est une source du type diode laser à ruban unique . Par rapport à la figure 3, cette structure comporte un élément de collimation 51 disposé entre la source 31 et l'élément de couplage actif 20 et un élément de collimation 53 disposé entre l'élément de couplage et le guide d'onde 35.
Ces éléments de collimation sont réalisés par exemple par des lentilles et permettent de focaliser respectivement le signal lumineux 21 et l'onde lumineuse 23. Sur cette figure, le guide d'onde présente en entrée une forme en entonnoir correspondant à un taper 36 pour améliorer l'adaptation de l'onde lumineuse 23 au profil du ou des modes guidés, du guide d'entrée. Bien entendu, dans certain cas, l'onde lumineuse arrivant à l'entrée du guide est telle que, le taper n'est pas nécessaire. En particulier, ce taper n'est pas nécessaire, lorsque l'élément de collimation 53 est choisi pour bien focaliser l'onde lumineuse 23, dans le guide d'entrée 35. Ce principe de structure peut-être généralisé à une matrice, comme représenté figure 6. Pour simplifier la description, cette figure illustre une matrice unidirectionnelle (autrement dit une matrice à une ligne ou barette) . Ainsi, sur cette figure est représentée à titre d'exemple une barrette 60 de quatre sources (par exemple une barrette de quatre diodes monoruban) aptes à émettre respectivement un signal lumineux 61, 62, 63, 64 de même longueurs d'ondes ou de longueurs d'ondes différentes. Chacun de ces signaux passe à travers un élément de collimation 65 réalisé par exemple par une barrette de quatre micro-lentilles, puis une barrette •67 de quatre éléments actifs de couplage selon l'invention qui émet quatre ondes lumineuses 71, 72, 73, 74 monomode ou peu multimodes respectivement à des longueurs d'ondes compatibles avec quatre guides d'entrées 81, 82, 83, 84 d'un même composant 90 ou de composants différents. Un deuxième élément 69 de collimation réalisé par exemple par une barrette de quatre micro-lentilles est disposé sur le chemin des ondes lumineuses entre la barrette des éléments de couplage et l'entrée des guides.
La barrette 67 d'éléments actifs est réalisée soit par quatre éléments actifs individuels mis bout à bout, chacun de ces éléments étant apte à recevoir un des signaux et à émettre une onde lumineuse soit par une structure unique de dimensions appropriée pour être équivalente à quatre zones superposées, chaque zone correspondant à un élément actif et est apte à recevoir un des signaux et à émettre une onde lumineuse. Selon un mode de réalisation plus simple, illustré par la figure 7, l'élément de couplage actif 20 est disposé directement à l'entrée du guide d'onde 35 par toutes les techniques classiques d'assemblage et par exemple par collage ; ce mode de réalisation n'utilise pas de deuxième élément de collimation. L'onde lumineuse émise par l'élément de couplage étant généralement peu divergente (le diamètre de cette onde peut aller typiquement de 50 μm à 100 μm pour une cavité laser telle que celle décrite en référence à la figure 3), elle est couplée directement dans le guide. Ce couplage est favorisé par la présence d'un taper 36 de diamètre de préférence au moins du même ordre de grandeur que celui de l'onde lumineuse.
Enfin, la figure 8 représente schématiquement la variante de réalisation de la figure 7 appliquée à une structure matricielle, qui est dans le cas représenté unidirectionnel comme dans l'exemple de la figure 6.
Sur cette figure, on retrouve les mêmes éléments que sur la figure 6 mise à part le fait que la barrette des éléments de couplage 67 est disposée directement sur le composant 90 de sorte que les ondes lumineuses émises par les éléments de couplage pénètrent directement dans les guides d'entrée associées à ces ondes. L'invention s'applique à des composants optiques de tous types et plus particulièrement à des composants actifs.
A titre d'exemple, dans l'application de l'invention à une structure comportant comme composant optique, un amplificateur par exemple un amplificateur en optique intégrée sur verre tel que celui connu sous le nom EDWA, réalisé sur des verres phosphates dopés Er, pour l'amplification des signaux de télécommunications autour 1,5 μm, et comportant un guide d'entrée (monomode ou présentant quelques modes) de diamètre typique quelques μm, on peut choisir un élément de couplage actif, par exemple une cavité laser plan-plan telle que décrite dans la figure 2, émettant une longueur d'onde allant environ de 1530 nm à 1550 nm et une source telle qu'une diode laser de pompe à ruban large (largeur de ruban 50-250 μm, typiquement 100 μm) et très multimode transverse. Ce type de source émet par exemple à 975-980 nm et présente une puissance élevée, entre 100 mW et plusieurs watts, et typiquement de 500 mW à 1 W. Le faisceau émis par une telle source est multimode (plusieurs centaines de modes transverses) et très divergent (30-40 degrés de demi- angle) , il est alors focalisé selon l'invention à l'aide du premier moyen de collimation (par exemple une lentille à gradient d'indice) sur la face d'entrée de la cavité laser qui absorbe alors la puissance de la diode laser et émet un faisceau laser à une longueur d'onde plus longue (par exemple 1550 nm) , momomode transverse TEM 00 proche de la qualité d'un faisceau gaussien parfait limité par la diffraction ou avec seulement quelques modes transverses (TEM mn avec m et n < 5) . Le faisceau émis par l'élément de couplage est de plus très peu divergent, avec une divergence typique entre 5-25 mrad (soit un demi-angle de 0,3 à 1,5 degrés) . Il peut être focalisé très aisément sur une petite tâche (quelques μm de diamètre) , par les deuxièmes moyens de collimation, par exemple avec une mini-lentille, de façon à être couplé très efficacement
(plus de 70 à 90% d'efficacité) dans le guide d'entrée du composant .
Cet exemple démontre bien l'intérêt de l'invention concernant la transformation de la longueur d'onde. En effet, dans le cas de l'amplificateur à guide d'onde destiné à travailler dans la bande L des télécommunications optiques (1570 à 1620 nm) , il est avantageux de pomper l'amplificateur à une longueur d'onde allant environ de 1530 nm à 1550 nm (λ2) plutôt qu'à 980 nm (λi) délivré par la diode laser de pompe. Le rendement quantique est presque deux fois meilleur (1550/980) et de plus l'amplificateur générera moins d'émission spontanée très néfaste pour le facteur de bruit de l'amplificateur.
Par ailleurs, le deuxième avantage de l'invention concernant la réduction des modes est également illustré dans cet exemple. Un faisceau de pompe de forte puissance, mais de très mauvaise qualité (multimodes et divergent) est transformé en un faisceau quasi parfait (monomode ou à quelques modes, très peu divergent) , qui permet de réaliser un couplage très efficace dans le guide monomode ou faiblement multi- mode du composant à guide d'onde.
Dans un autre exemple d'application de l'invention à une structure comportant comme composant optique un amplificateur en optique intégrée, réalisé sur des matériaux dopés Tm3+, comme par exemple dans les amplificateurs de type TDFA (Thullium Doped Fiber Amplifier) , utilisant par exemple des matériaux fluorures, pour l'amplification des signaux de télécommunications dans la bande S entre 1450 nm et 1520 nm, et comportant un guide d'entrée (monomode ou présentant quelques modes) de diamètre typique quelques μm, on peut choisir un élément de couplage actif, par exemple une cavité laser plan-plan telle que décrite dans la figure 2, émettant autour de 1050 nm, par exemple du YLF dopé Nd3+, et une source telle qu'une diode laser de pompe à ruban large (largeur de ruban 50-250 μm, typique 100 μm) et très multimode transverse . Ce type de source émet par exemple autour de 800 nm et présente une puissance élevée, entre 100 mW et plusieurs watts, et typiquement de 500 mW à 1 W. Le faisceau émis par une telle source est multimodes (plusieurs centaines de modes transverses) et très divergent (30-40 degrés de demi-angle) . Il est alors focalisé selon l'invention à l'aide du premier moyen de collimation (par exemple une lentille à gradient d'indice) sur la face d'entrée de la cavité laser en YLF dopé Nd3+ qui absorbe alors la puissance de la diode laser et émet un faisceau laser à une longueur d'onde plus longue (par exemple autour de 1050 nm) , monomode transverse TEM 00 proche de la qualité d'un faisceau gaussien parfait limité par la diffraction ou avec seulement quelques modes transverses (TEM mn avec m et n < 5) . Le faisceau émis par l'élément de couplage est de plus très peu divergent, avec une divergence typique entre 5-25 mrad (soit un demi-angle de 0,3 à 1,5 degrés) . Il peut être également focalisé très aisément sur une petite tâche (quelques μm de diamètre) , par les deuxièmes moyens de collimation, par exemple avec une mini-lentille, de façon à être couplé très efficacement
(plus de 70 à 90% d'efficacité) dans le guide d'entrée du composant . Cet exemple démontre particulièrement bien l'intérêt de l'invention concernant la transformation de la longueur d'onde. En effet dans le cas de l'amplificateur à Tm à guide d'onde destiné à travailler dans la bande S des télécommunications optiques (1450 nm et 1520 nm) , il est nécessaire de pomper l'amplificateur autour de 1050 nm (λ2) qui est absorbée par les ions Tm3+, et cette longueur d'onde n'est pas délivrée par les diodes laser de pompe classiques et commercialement disponibles. Par contre avec les diodes laser classiques qui émettent autour de 800 nm on peut pomper le matériau YLF dopé Nd qui émet autour de 1050 nm.

Claims

REVENDICATIONS
1. Elément de couplage actif permettant de coupler un signal lumineux à un composant optique à guide d'onde, ce signal lumineux (21) présentant une première gamme de longueurs d'onde, et le composant optique (33) comportant au moins un guide d'onde d'entrée (35) associé à une deuxième gamme de longueur d'onde, cet élément (20, 20a, 20b, 67) étant apte à recevoir le signal lumineux et à émettre une onde lumineuse (23) dans une troisième gamme de longueurs d'onde comprise au moins partiellement dans ladite deuxième gamme .
2. Elément de couplage actif selon la revendication 1 caractérisé en ce que l'élément de couplage est apte en outre à émettre l'onde lumineuse selon un profil de mode adapté au profil du mode du guide d'onde d'entrée.
3. Elément de couplage actif selon la revendication 2 caractérisé en ce que le signal lumineux étant multimode et le profil du mode du guide d'onde d'entrée étant monomode ou faiblement multimode, l'élément de couplage est apte réduire le nombre de modes entrant dans le guide d'onde du composant.
4. Elément de couplage actif selon la revendication 1 caractérisé en ce qu' il est formé par une cavité laser.
5. Elément de couplage actif selon la revendication 4 caractérisé en ce que la cavité laser comprend un matériau laser (25) dopé par des ions actifs intercalé entre un premier et un deuxième élément de réflexion (27, 29) .
6. Elément de couplage actif selon la revendication 5 caractérisé en ce que chaque élément de réflexion est choisi respectivement et indépendamment parmi un miroir plan, un miroir concave, un réseau de micro-miroirs .
7. Elément de couplage actif selon la revendication 5 caractérisé en ce que le matériau laser est choisi parmi les matériaux suivants pris seuls ou en combinaison : les matériaux oxydes, les matériaux fluorures, les matériaux phosphates, les matériaux silicates, les matériaux tungstates, les matériaux molybdates, les matériaux vanadates, les matériaux beryllates, les verres phosphates, les verres silicates.
8. Elément de couplage actif selon la revendication 5 caractérisé en ce que les ions actifs sont choisis parmi les ions suivants pris seuls ou en combinaison : les terres rares, les métaux de transitions, les actinides.
9. Elément de couplage actif selon la revendication 6 caractérisé en ce que les miroirs sont formés respectivement par un dépôt de multicouches diélectriques .
10. Elément de couplage actif selon les revendications 8 et 9 caractérisé en ce que le matériau laser est dopé ou codopé avec des ions de terre rares
Er3+ et/ou Yb3+et les multicouches diélectriques sont des couches de Si02 et de Ti02 alternées.
11. Structure optique selon la revendication 1 comportant :
- au moins une source (3, 13, 31, 41, 43, 60), ladite source émettant ledit signal lumineux,
- un composant optique (33, 45, 90) comprenant au moins un guide d'onde d'entrée (35, 47, 49, 81, 82,
83, 84) et
- au moins un élément de couplage actif, intercalé entre la source et le guide d'onde d'entrée.
12. Structure optique selon la revendication 11 caractérisé en ce que le guide d'onde d'entrée présente une forme en entonnoir (36) .
13. Structure optique selon la revendication 11 caractérisé en ce qu'elle comprend en outre un premier élément de collimation (51, 65) disposé entre la source et l'élément de couplage.
14. Structure optique selon la revendication 11 caractérisé en ce qu'elle comprend un deuxième élément de collimation (53, 69), disposé entre l'élément de couplage et le guide d'onde.
15. Structure optique selon la revendication 11 caractérisé en ce que l'élément de couplage est disposé directement à l'entrée du guide d'onde.
16. Structure optique selon la revendication 11 caractérisé en ce que la source est choisie parmi une source de pompe (41) et un élément optique (43) aptes à émettre le signal lumineux.
17. Structure optique selon la revendication 11 caractérisé en ce que le composant optique est choisi parmi un amplificateur optique, un inverseur de spectre, un convertisseur de fréquence.
18. Structure optique selon la revendication 11 caractérisé en ce que la structure comprend : - une première source (41) formée par une source de pompe, apte à émettre un premier signal lumineux,
- une deuxième source (43) formée par un élément optique, apte à émettre un second signal lumineux,
- un composant optique (45) comprenant au moins un premier guide d'onde d'entrée (47) et au moins un deuxième guide d'onde d'entrée (49),
- un élément de couplage actif (20a) disposé entre la première source et le premier guide, apte à recevoir le premier signal lumineux et à émettre • une première onde lumineuse, et - éventuellement un autre élément de couplage actif (20b) disposé entre la deuxième source et le deuxième guide, apte à recevoir le second signal lumineux et à émettre une deuxième onde lumineuse .
19. Structure optique selon la revendication 11 caractérisé en ce que la structure comprend :
- une matrice (60) de nxm sources,
- un composant optique (90) comprenant au moins nxm guides d'onde d'entrée,
- une matrice (67) de nxm éléments de couplage actifs disposée entre la matrice de sources et les nxm guides,
- éventuellement une première matrice (65) de - nXm éléments de collimation entre la matrice de sources et la matrice d'éléments de couplage,
- éventuellement une seconde matrice (69) de nXm éléments de collimation entre la matrice d'éléments de couplage et les guides d'onde d'entrée.
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